Dater les plissements tectoniques à l’aide des veines et des failles qui affectent les couches

La reconstruction de l’histoire tectonique d’une région se heurte souvent à un problème de taille : celui de la datation absolue. Car si l’âge d’une roche peut être estimé avec confiance par le biais de diverses méthodes désormais éprouvées, dater un épisode de déformation est bien moins évident. Connaître la durée et la vitesse d’un événement tectonique est pourtant crucial pour reconstruire l’histoire géologique d’un lieu et affiner notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent la déformation de la croûte continentale.

L’importance et les lacunes des dépôts syn-tectoniques

La datation relative des événements, obtenue par l’observation des relations géométriques entre les différentes unités géologiques, est efficace pour classer les épisodes de déformation dans un ordre chronologique. L’étude des dépôts sédimentaires syn-tectoniques, qui bordent un pli par exemple, peut permettre d’estimer l’âge absolu de la structure tectonique. Ces unités sédimentaires se forment en effet durant la phase de déformation et présentent souvent une architecture en éventail caractéristique d’une variation de l’espace d’accommodation du dépocentre. En datant la base de ces unités syn-tectoniques on peut alors obtenir l’âge du début du plissement. Cependant, cette méthode repose sur plusieurs hypothèses, qui, si elles ne sont pas vérifiées, peuvent produire des résultats biaisés. Il faut en effet supposer que l’enregistrement de la déformation a été continu, du début à la fin, ce qui est loin d’être évident. Le dépôt de sédiments n’est pas un processus nécessairement continu, il peut contenir de nombreuses lacunes et variations (érosion, arrêt de la sédimentation, variation des taux de sédimentation…). Sans compter que ces structures en éventail ne sont pas forcément conservées au cours des temps géologiques. Les processus de déformation eux-mêmes sont discontinus et apparaissent comme des mécanismes polyphasés dont les différents stades ne sont pas forcément enregistrés par les dépôts syn-tectoniques.

Comment, dans ce cas, dater avec certitude et précision un épisode de déformation et en particulier une phase de plissement ? Olivier Lacombe de l’ISTeP et ses collègues de l’Université de Pau proposent une nouvelle méthode se basant sur l’étude des structures cassantes enregistrées au sein même des couches plissée. En effet, sous l’effet d’une contrainte compressive, les roches vont se déformer, et cela à deux échelles différentes. La première est celle du pli, que l’on cherche à dater, la deuxième est bien plus petite et se caractérise par la formation de petites failles, de joints ou de veines, et de stylolites. Ces différentes structures accommodent la déformation interne des strates. Leur étude est d’autant plus intéressante qu’elles témoignent de l’état de contrainte non seulement pendant le plissement, mais également avant et après l’épisode de déformation majeur. Plusieurs étapes peuvent ainsi être identifiées, qui permettent de retracer l’enchaînement des événements tectoniques aboutissant à la formation d’un pli.

Une évolution polyphasée enregistrée dans les veines et les failles

Dans leur article, paru dans la revue Solid Earth, les auteurs montrent que ces structures à petite échelle peuvent être utilisées pour contraindre notamment la durée et l’initiation d’une phase de plissement. 4 exemples de terrain ont été étudiés : les anticlinaux de Cingoli et San Vicino dans les Apennins, l’anticlinal de Pico del Aguila dans les Pyrénées, et l’anticlinal de Sheep Mountain dans les Montagnes Rocheuses, qui correspondent à des styles structuraux et contexte tectoniques différents.

Lorsque des fractures se forment en réponse à un état de contrainte, la circulation de fluide en leur sein produit un dépôt, par exemple de la calcite, minéral très fréquents dans les roches calcaires. En se basant sur l’idée que cette cimentation débute en même temps que la fracturation, il est donc possible d’estimer l’âge des veines et failles grâce à la datation par Uranium-Plomb du ciment de calcite. Les résultats ont été comparés aux âges obtenus à partir des éventails sédimentaires (lorsqu’ils étaient préservés) et montrent une bonne concordance entre les différentes méthodes. Ces datations ont été effectuées sur des structures caractéristiques du début du plissement, de la phase de croissance du pli et de la fin du plissement.

Pour les 4 anticlinaux étudiés, la phase de plissement a duré entre 1,5 et 15 Ma, en accord avec les estimations utilisant les sédiments syn-tectoniques ou la modélisation numérique. Les résultats apportent également une précision supplémentaire en quantifiant pour la première fois la durée des phases de contraction qui précède et suive immédiatement la phase de croissance du pli. Ces deux phases peuvent avoir duré plus longtemps que la croissance du pli lui-même. Plus généralement, la durée des étapes de raccourcissement des couches dépend du style structural et du contexte tectonique.

Résumé rédigé par Morgane Gillard 

Pour plus de détails : Lacombe, O., Beaudoin, N. E., Hoareau, G., Labeur, A., Pecheyran, C., and Callot, J.-P.: Dating folding beyond folding, from layer-parallel shortening to fold tightening, using mesostructures: lessons from the Apennines, Pyrenees, and Rocky Mountains, Solid Earth, 12, 2145–2157, https://doi.org/10.5194/se-12-2145-2021, 2021.